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​空调系统自动化

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空调系统自动化

3.3.1概述

人们正常的生活、工作环境或一些行业的生产环境,对空气温度、湿度、洁净度和风速都有一定的要求,空气调节就是为满足这些要求出现的。空调末端设备是完成这种空气调节的装置。对空气调节设备的自动控制不但是系统正常工作和保证空调环境参数满足要求的需要,另一方面,由于空调设备长期运行,耗能巨大,对其进行实时的自动监控,也是整个系统优化管理、节约人力、降低能耗的需要。

为了创造一个温度适宜、湿度恰当、空气洁净的舒适环境,以满足生活、工作和生产的要求,空调系统的控制一般包括如下内容。

1.空气温度控制

按照人类生理要求和生活习惯,根据生产工艺的要求,空气调节系统的控制就是建立一个满足要求的温度环境。空气温度的控制是空调系统最主要、最基本的功能。

2.空气湿度调节

不论是舒适的生活与工作环境,还是特殊的生产和科研环境,都对环境中的湿度参数有一定的要求。空气过于潮湿或过于干燥都会使人感到不舒适,而且随着气温的变化,人们对空气湿度的要求也不尽相同。在一些特殊产品的生产车间、贵重物品、仪器设备的存放间或使用工作间,对湿度有更为严格的要求。空气调节系统对湿度的调节是建立具有特定湿度环境所必需的。

3.空气气流速度调节

人生活在低流速的空气环境中,比在静止的空气环境中舒适。而处于变流速的空气环境中比恒流速更舒服。气流监控通常选距地面1.2m的空气流速作为监测标准。空调制冷时,水平风速以0.3m/s为宜;空调制热时,水平风速以0.5m/s为合适,过高或过低的流速也会给人带来不适。

除使人感觉舒适以外,像体育馆、纺纱车间等特殊场合,也对空气流速有不同的要求与限制。如果空气流速太高,像羽毛球、乒乓球等运动就难以进行,因此体育馆根据比赛项目的不同,空调系统对空气流速有一定的要求与限制。

4.空气质量调节

空气中含氧浓度的高低,直接影响人们的生活质量;空气中悬浮污物的含量,直接影响人们的身体健康。空气中含氧浓度下降,会使人感到胸闷憋气,长期在这种环境下工作,危害人体健康,可通过新风量的调节保证空气中的含氧量。空调房间中合适的温湿度也利于细菌繁殖、悬浮污物的聚合,聚合后的悬浮污物携带各种细菌进入空调通风系统中,最终被人吸入体内,对人体带来危害,可通过加强对这些悬浮颗粒的过滤以保证空调环境的清洁度。

空气含氧量和空气清洁度的调节都属于空气质量调节。

5.空气压力调节

在一些特殊的空调空间,如有超洁净度要求的电子、光学、化学、制药等特殊的生产工艺环境,通过控制使超洁净环境中的空气相对于外部环境的空气维持一定的正压,就避免了外部空气的进入,有利于保证空调空间的洁净度;还有一些空调空间有负压要求,如在有毒、有害气体的空调环境中,为了避免有毒、有害气体泄漏到外部环境,可使该空调空间的气压相对于其他空间的气压保持一定的负压,以保证有害气体不向外泄漏造成环境的污染和损害。

6.空气的特殊控制工艺

对于一些和生产工艺密切相关的空调系统,除了对空调系统的参数如温度、湿度、压力等有要求以外,还可能要求具备一些特殊的定时、逻辑控制功能。如在某生物培养间,除温度、湿度的总体要求和各个房间维持相对压差外,还要定期进行通风清洁、消毒的逻辑程序控制工艺。这些特殊的控制要求和空调空间的生产工艺密切相关。

总之,空气调节系统的任务就是当室内外的空气参数(温度、湿度等)发生变化时,要求保持空调空间内空气参数不变或不超出给定的变化范围。通常采取对空气进行加热或冷却达到温度调节的目的,通过加湿和除湿达到湿度调节的目的,通过过滤和调节新风量来达到空气质量调节的目的。

对于特殊的空调系统,其控制功能与要求已远远超出了传统意义上空调控制的范畴,而属于工业控制的范围。这类空调控制系统的控制功能和精度要求普遍高于一般空调控制的功能和精度,常规空调控制系统中的控制器、传感器有时候不能满足控制要求,必须选用工业控制使用的传感器、控制器和相应的控制策略和算法才能满足要求。因此,在这类系统的设计与实施中,必须对控制工艺的要求和设备选型投入比较大的精力。

空气调节设备有新风机组、空气处理机组、风机盘管、变风量系统(VAV)、送风/排风系统等类型。由于使用条件和功能需求不同,同一种设备在不同的情况下从结构到配置均有所不同。下面在各类设备中选择有代表性的空气调节设备进行探讨,其控制原理涵盖了同类设备的各种情况,对于与其不完全相同的系统设备,只要对这里介绍的控制方案作简单的调整,基本上就能适应其他同类系统的控制。

3.3.2新风机组自动控制

新风机组通常与风机盘管配合进行使用。主要是为各房间提供一定的新鲜空气,满足室内空气质量要求。为避免室外空气对室内温湿度状态的干扰,在送入房间之前需要对其进行热湿处理,室内负荷通常由风机盘管处理。新风机组的监控原理图如图3.5所示。

1.新风机组运行参数与状态监控点/位及常用传感器

>新风温度测量:取自安装在新风口上的温度传感器,采用风管空气温度传感器。>新风湿度测量:取自安装在新风口上的湿度传感器,采用风管空气湿度传感器(在

2.新风机组连锁控制

新风机组启动顺序控制:新风风门开启一送风机启动一冷热水调节阀开启→加湿阀开启。

新风机组停机顺序控制:关加湿阀一关冷热水阀一送风机停机→新风阀门全关。

3.新风机组运行与节能控制

(1)新风机组的温度调节与节能策略

新风机组的控制通常以出风口温度或房间温度为被调参数,全年使用的新风机组常以出风口温度和房间温度共同作为被调参数。DDC控制器按照出风口温度或房间温度传感器测量的温度值与给定值比较的偏差,用PID规律调节冷/热水调节阀开度以达到控制冷冻(加热)水量,夏天使房间温度低于28℃,冬季则高于16℃。

另外,室外温度是对上述调节系统的一个扰动量,为了提高系统的控制性能,把新风温度作为扰动信号加入调节系统中,可采用前馈补偿的方式消除新风温度变化对输出的影响。如室外新风温度降低,新风温度测量值减小,这个温度负增量经DDC运算后输出一个相应的控制电信号,使回水阀开度减小即冷量减小。

在过渡季节或特别的天气里,室外温度在设定值允许范围内时,可停止对空气温度的调节以节约能源。

(2)湿度调节

新风机组湿度调节与空调系统的湿度调节过程基本相同,把出风口(房间)湿度传感器测量的湿度信号送入DDC控制器与给定值比较,产生偏差,由DDC按PI规律调节加湿电动阀开度,以保持空调房间的相对湿度。

(3)新风风门的调节

根据新风的温湿度、房间的温湿度及熔值计算以及空气质量的要求,控制新风门的开度,使系统在最佳的新风风量的状态下运行,以便达到节能的目的。

(4)过滤器堵塞、防冻保护

采用压差开关测量过滤器两端差压,当差压超限时,压差开关报警,表明过滤网两侧压差过大,过滤网积灰积尘、堵塞严重,需要清理、清洗。

采用防霜冻开关监测换热器出风侧温度,当温度低于5℃时报警,表明室外温度过低,应关闭风门,同时关闭风机,以免换热器温度进一步降低。风门应有良好的气密性和良好的保温性,阻止与室外冷空气的传热。但大多数风门本身的气密性和保温性并不好,难以起到保温隔热的作用。比较可靠的方法是机组停止工作后,仍然把热水调节阀打开(如开启30%),使换热器内的水流缓慢循环流动,若热水水泵已停机,则整个水系统还应开启一台小功率的水泵,保证水系统有一定的水流速度,而不会使管路被冻裂。

(5)空气质量控制

为保证空调房间的空气质量,应选用空气质量传感器,当房间中CO2、CO浓度升高时,传感器输出信号到DDC,经计算,输出控制信号,控制新风风门开度以增加新风量。

(6)设备定时启停与远程开/关操作

控制系统能够依据预定的运行时间表,实现新风机组的按时启/停;应有对设备进行远程开/关操作的功能,也就是在控制中心能实现对空调机组现场设备的远程控制。

表3.4是对应图3.5的新风机组监测、控制点配置表。

表3.4新风机组监测、控制点配置表

image.png表3.4新风机组监测、控制点配置表

在具体的工程中,系统配置有所不同,并不是每个新风机组都配置新风温湿度传感器或防冻开关;在洁净度要求较高的场合,新风机可能要配多级过滤网等。应该根据实际情况,统计出设备数量,作为选配DDC控制器的依据。

3.3.3空调机组自动控制

空气处理机组是将房间的温度、湿度控制在一定的允许范围之内,而不是像新风机那样控制送风的参数。由于控制目标的改变,控制系统的组成环节发生了变化,采用的调节方法也有所不同。

空气处理机组处理的空气除有新风外,还有室内的回风。在总风量中怎样处理新回风的关系,调节新回风量的比例,使之既能满足室内卫生条件的要求,同时又能节约运行能耗是空气处理机组的控制所面临的新问题。

空气处理机组往往同时承担若干个房间的空气调节任务,而各房间的热湿特性、负荷大小,甚至要求的室内状态都不相同,空气处理机组应采取有效措施去适应这些不同的要求。

新风机组仅存在室外空气参数变化对调节系统的干扰。而空调机组除了有室外空气参数变化的干扰外,还存在室内人员、设备散热、散湿量变化引起的干扰。调节系统必须同时考虑这两种干扰的影响,满足室内温湿度的要求,同时减少运行能耗。

空调机组使用场合比较多,对空调机组的结构、组成和功能的要求各有不同,导致了空调机组比较多样。这里通过对有代表性的空调机组的监控系统进行分析,使读者对空调机组基本的控制功能有一个全面清晰的认识,为其他各种类型空调机组的监控系统设计和工程问题的处理奠定基础。如果对这些系统的监控原理和系统设计能够熟练掌握,对其他各种空调机组控制问题的处理不会有太大的困难。典型的定风量空调机组如图3.6所示。

1.定风量空调机组运行参数与状态监控点/位及常用传感器

》室外/新风温度测量:取自安装在室外/新风口上的温度传感器,采用室外/风管空气温度传感器。

图3.6定风量空调机组控制原理图

图3.6定风量空调机组控制原理图

>室外/新风湿度测量:取自安装在室外/新风口上的湿度传感器,采用室外/风管空气湿度传感器(在BAS系统中,不是每个空调机组都安装新风温/湿度传感器,只需在有代表性的少数新风入口或室外适当的检测点安装,测量值可供BAS系统共用)。>过滤网两侧差压监测:取自安装过滤网上的压差开关输出,采用压差开关监测过滤网两侧压差。

>送/回风温度测量:取自安装在送/回风管上的温度传感器,采用风管式空气温度传感器。

>送/回风湿度测量:取自安装在送/回风管上的湿度传感器,采用风管式空气湿度传感器。

>空气质量检测:取自安装在空调区域或回风管上的空气质量传感器,常选用二氧化碳(CO2)传感器。

》送风风速检测:取自送风管上的风速传感器,采用风管式风速传感器。

>防冻开关状态监测:取自安装在送风管表冷器出风侧的防冻开关输出(只在冬天气温低于0℃的北方地区使用)。

>送/回风机运行状态监测:送/回风机配电柜接触器辅助触点,也可通过监测点在风机前后的差压开关监测。

>送/回风机故障监测:送/回风机配电柜热机电继电器辅助触点。

>送/回风机启停控制:从DDC数字输出口(DO)输出到送/回风机配电箱接触器控制回路。

>新风口风门开度控制:从DDC数字输出口(DO)输出到新风口风门驱动器控制输入点。

>回风/排风风门开度控制:从DDC数字输出口(DO)输出到回风/排风风门驱动器控制输入点。

>冷/热水阀门开度调节:从DDC模拟输出口(AO)输出到冷热水二通调节阀阀门驱动器控制输入口。

>加湿阀门开度调节:从DDC模拟输出口(AO)输出到加湿二通调节阀阀门驱动器控制输入口。

2.定风量空调机组连锁控制

定风量空调机组启动顺序控制:新风风门、回风风门、排风风门开启一送风机启动一回风机启动→冷热水调节阀开启一加湿阀开启。

定风量空调机组停机顺序控制:关加湿阀→关冷热水阀一送风机停机一新风风门、回风风门、排风风门关闭。

3.定风量空调机组运行与节能控制

(1)定风量空调机组的温度调节与节能策略

定风量空调系统的节能是以回风温度为被调参数,DDC控制器计算回风温度传感器测量的回风温度与给定值比较所产生的偏差,按照预定的调节规律(一般为PID)输出调节信号控制空调机组冷/热水阀门的开度以控制冷/热水量,使空调区域的气温保持在设定值。一般夏天空调温度低于28℃,冬季则高于16℃。

另外,室外温度是上述调节系统的一个扰动量,为了提高系统的控制性能,把新风温度作为扰动信号加入调节系统中,可采用前馈补偿的方式消除新风温度变化对输出的影响。如室外新风温度降低,新风温度测量值减小,这个温度负增量经DDC运算后输出一个相应的控制电信号,使回水阀开度减小即冷量减小。

在过渡季节或特别的天气,室外温度在空调温度设定值允许的范围内时,空调机组可采用全新风工作方式。关闭回风风门,新风风门和排风风门开到最大,向空调区域提供大量新鲜空气,同时停止对空气温度的调节以节约能源。

(2)空调机组回风湿度调节

空调机组回风湿度调节与回风温度的调节过程基本相同,把回风湿度传感器测量的回风湿度送入控制器与给定值比较,产生偏差,DDC控制器按PI规律调节加湿电动阀开度,将空调房间的相对湿度控制在设定值。

(3)新风风门、回风风门及排风风门调节

根据新风的温湿度、回风的温湿度在DDC进行回风及新风熔值计算,按回风和新风的给值比例以及空气质量检测值对新风的需要量,控制新风门和回风门的开度比例,使系统在最佳的新风/回风比状态下运行,以便达到节能的目的。

(4)过滤器差压报警、机组防冻保护

用压差开关测量过滤器两端差压,当差压超限时,压差开关报警,表明过滤网两侧压差

过大,过滤网积灰积尘、堵塞严重,需要清理、清洗。

采用防霜冻开关监测表冷器出风侧温度,当温度低于5℃时报警,表明室外温度过低,应关闭风门,同时关闭风机,使换热器温度不再降低。风门应有良好的气密性,同时要有良好的保温性阻止与室外冷空气的传热。但大多数风门本身的气密性和保温性并不好,难以起到保温隔热的作用。比较可靠的方法是机组停止工作后仍然把水量调节阀打开(如开启30%),使换热器内的水流缓慢循环流动起来,若水泵已停机,则整个水系统还应开启一台小功率的水泵,保证水系统管道内有一定的水流速度,而不至冻裂。

(5)空气质量控制

为保证空调区域的空气质量,应选用空气质量传感器,当房间中CO2、CO浓度升高时,传感器输出信号到DDC控制器,控制器输出控制信号,控制新风风门开度以增加新风量。

(6)空调机组的定时运行与设备的远程控制

控制系统能够依据预定的运行时间表,实现空调机组的按时启停;应有对设备进行远程开/关控制的功能,也就是在控制中心能实现对空调机组的现场设备的远程控制。

表3.5是对应图3.6的定风量空调机组监测、控制点配置表。

表3.5定风量空调机组监测、控制点配置表

表3.5定风量空调机组监测、控制点配置表

图3.6的定风量空调机组常用在空调机房距空调区域比较远的场合。在一些工业建筑中,由于空调机房不能布置在需要空调环境的控制中心、特种设备间、生产间的附近,图3.6的定风量空调机组是常用的方案。例如,在建筑面积和空调空间比较大的会展中心、大型购物中心、博物馆等现代建筑中,图3.6所示的定风量空调机用得也比较多。

当空调区域面积较小,风道比较短时,不需要回风机,这类空调机组的控制原理图如图3.7所示,这是在民用建筑中比较多见的一种形式。

image.png图3.7无回风机的定风量空调机组控制原理(简化)图

图3.7无回风机的定风量空调机组控制原理(简化)图

为了节约投资,还有另外一种设计方式,将定风量空调机组中的送风机兼作发生火灾时的补风机,而回风机兼作排烟机,图3.8就是这种定风量空调机组的基本结构。

image.png图3.8兼作补风与排烟的定风量空调机组(简化)

图3.8兼作补风与排烟的定风量空调机组(简化)

在这种工作方式的空调机组的控制系统设计时,防烟阀、排烟阀、送风机/补风机、排风机/排烟机等具有火灾消防功能的设备必须和火灾自动报警系统实现联动控制,无论在硬件配置、电气连锁还是控制软件设计等方面都需要作全面的考虑。当然,所有的空调系统设备都要和火灾自动报警系统实现联动控制,但和这种空调系统的设备直接作为消防设备使用的情况在本质上是不同的。

由于空调机组的多样性和实际系统在设备配置上的差别,在控制系统设计时,应该根据实际情况,统计出设备数量,作为选配DDC控制器的依据。

3.3.4变风量空调系统

变风量空调系统(VAV,Variable Air Volume System)是通过空调送风量的调节实现空调区域温湿环境的控制。在变风量空调系统中,当室内空调负荷改变或室内空气参数设定值变化时,空调系统自动调节送入房间的风量,将空调环境的温湿参数调整到设定值,以满足室内人员的舒适要求或工艺生产的要求。送风量的自动调节可以最大限度地减少风机的动力消耗,节约空调系统运行能耗。

在送风温度不变时,变风量空调系统的送风量与空调负荷呈正比例的线性关系。变风量空调系统所需风量随负荷的减少而减少。在空调系统运行的大部分时间内,空调系统处于非满负荷的运行状态,达到设计负荷运行状态的时间很少,一般不超过总运行时间的5%。与定风量空调系统相比,变风量空调系统在降低运行能耗方面有很大的优势。

由于建筑物内空调系统耗电很大,节能运行在楼宇自动化系统中就显得格外重要。VAV系统20世纪60年代在美国出现,并在其后的岁月中不断发展,现在已成为美国空调系统的主流。近年来,在国内也受到越来越多的重视,VAV系统应用得越来越多。

变风量空调系统属于全空气送风方式,系统的特点是送风温度不变,通过改变送风量来满足房间对冷热负荷的需要,用改变送风机的转速来改变送风量。通常采用变频调速调节送风机电机转速的方式实现送风量的控制。

变风量空调系统相对于定风量系统,具有如下特点:

>变风量空调系统能实现局部区域(房间)的灵活控制,可根据负荷的变化或个人的舒适度要求调节个性化的工作环境,能适应多种室内舒适性的要求。

>变风量空调系统能自动调节送入各房间的冷量,系统内各用户间可以按实际需要调配冷量,考虑各房间同时使用系数和负荷的时间分布,空调系统冷源的总冷量配置可以减少20%~30%,设备投资也会有较大减幅。

>室内无过冷过热现象,由此系统运行时可减少空调负荷的15%~30%。

3.3.4.1变风量系统组成与工作原理

变风量系统由变风量空调机组和变风量末端装置(VAV box)两大部分组成,其组成及控制原理图如图3.9所示。

在图3.9所示变风量系统中,末端系统的组成方式常见的有四种,各系统对变风量末端装置及其控制方式也是不一样的。

1.单风管VAV系统

单风管VAV系统原理见图3.10。在每个房间入口处的支风管上安装称为VAVbox的送

image.png图3.9变风量系统组成及控制原理图

图3.9变风量系统组成及控制原理图

图3.10单风管VAV系统原理图

图3.10单风管VAV系统原理图

风量调节装置。VAV空调机组根据空调系统所有末端用户所需的实际总风量进行风机风量调节。一般采用变频器控制风机驱动电机转速方式,实现变风量系统的风量调节。这种变风量系统设计简单,应用范围最广。当系统总负荷降低时,过低的送风量会使风管与室内的气流特性、室内温度场、速度场的分布变差。为了保证这类VAV系统能够正常工作,要对系统运行时的最小风量作出限制,正常工作的最小风量值一般设定为满负荷风量的60%。当空调负荷低于最小风量对应的负荷时,空调区域的温度调节不能通过调节风量而采用调节送风温度的方法,这就是下面要讲的单风管再加热VAV系统。

2.单风管再加热VAV系统

单风管再加热VAV系统的原理图如图3.11所示。该方式能在系统达到最小风量时,通过再热盘管的调节,保证室内的温度不出现过冷或过热状态,充分保证室内舒适度。这已经不是纯粹意义上的变风量系统。

图3.11单风管再加热VAV系统原理图

图3.11单风管再加热VAV系统原理图

3.单风管送回风机联动VAV系统

单风管送回风机联动VAV系统如图3.12所示。这类系统能够实现室内压力控制,将送风量、回风量之差控制在设定值,以满足室内一定的静压要求。在实际系统中,通过室内(区域)分支送风管上的VAV box与回风管上的VAV box联动控制以调节送风量、回风量之差来达到控制室内(区域)静压的目的。对于空调机组,在调节送风机送风量的同时,也要对回风机的回风量进行调节。这种系统适用于有洁净要求、环保要求的生产车间、特种仪器/设备间、医院的洁净病房等,要求较高的办公场所也可以使用。

4.单风管旁通式VAV系统

单风管旁通式VAV系统如图3.13所示。当室内负荷变化时,送入室内的风量减少,多余的风量通过旁通管口排入吊顶,与室内回风一起返回空调机组。实际上,这种系统的总风量并未改变,只是末端风量改变,从严格意义上来说不算VAV系统,因此节能效果有限。但

这种形式可以满足各房间舒适性及工业生产的恒温要求,系统简单,建设成本低廉是它的主要优势。

image.png图3.12单风管送回风机联动VAV系统原理图错误!

图3.12单风管送回风机联动VAV系统原理图错误!

image.png图3.13单风管旁通式VAV系统原理图

图3.13单风管旁通式VAV系统原理图

这里讨论的都是单风管VAV系统。除此之外还有双风管VAV系统等其他形式。由于单风管VAV空调系统结构较为简洁,造价较为低廉,因而使用最为广泛。如果需进一步了解双风管VAV系统可参考有关的技术文献。

5.VAV系统变风量末端装置及控制

VAV空调系统的运行由VAV末端装置控制器(如西门子的Terminal Box Controller产品编号为540-100,Honeywell的W7551系列变风量控制器等)根据室内要求进行送风量控制,同时通过网络设备(Honheywell为Q7750、SIEMENS为FLN)向VAV系统控制器(SC,System Controller)传送自己的运行信息。系统控制器根据系统内所有末端装置传送来的数据,计算出系统总的风量需求,并输出对应的风机转速控制信号,通过变频器控制风机转速,以节约送风动力消耗。

VAV系统末端装置也有几种不同的类型,前面讨论的VAV系统所对应的普通型、再热型、风机型的VAV末端装置是比较常见的几种类型。

(1)普通型VAV末端装置

普通型VAV末端装置主要由室内温度传感器、电动风门、风速传感器、控制器等部件构成。它通过调节风门来控制室内温度。

控制器根据室内温度计传感器的测量值与设定值的比较偏差,输出控制信号调节电动风门的开度,使室内温度维持在设定值。并将风速传感器的测量值上传到系统控制器,为系统控制器进行空调机组风机调速提供风量数据。控制原理图如图3.14所示。

图3.14普通VAV末端装置控制原理图

图3.14普通VAV末端装置控制原理图

(2)再热型VAV末端装置

再热型VAV末端装置是在普通型VAV末端装置的基础上增加再热(冷)装置。在风量(速)允许的限度内,通过调节风门来控制室内温度;当风量已达到极限而温度仍达不到设定值时,控制器则开启加热器(电加热开启电源,冷热水开启阀门),再通过控制风量来控制室内温度回到设定值。

(3)风机型VAV末端装置

风机型VAV末端装置也称为FPB(Fan Powered Box)。其特点是控制器根据室内温度由VAV 控制器控制进风风门开度调节一次进风量,同时与室内空气混合后经风机加压(或一次空气不经风机加压,而与加压的室内空气并联)进入室内,以保持室内换气次数不变。这种末端装置加设了风机,室内温度分布和气流条件变好,但设备成本和运行成本提高,可靠性、噪声等性能指标有所下降。

3.3.4.2变风量系统自动控制

1.变风量空调系统运行参数与状态监控点/位及常用传感器

>室外/新风温度测量:取自安装在室外/新风口上的温度传感器,采用室外/风管空气温度传感器。

>室外/新风湿度测量:取自安装在室外/新风口上的湿度传感器,采用室外/风管空气湿度传感器(在BAS系统中,不是每个空调机组都安装新风温/湿度传感器,只需在有代表性的少数新风入口或室外适当的检测点安装,测量值可供BAS系统共用)。

>过滤网两侧差压监测:取自安装过滤网上的压差开关输出,采用压差开关监测过滤网两侧压差。

>送风/回风温度测量:取自安装在送/回风管上的温度传感器,采用风管空气温度传感器。

>送风/回风湿度测量:取自安装在送/回风管上的湿度传感器,采用风管空气湿度传感器。

>送风管末端压力检测:取自安装在送风管压力最不利位置的空气压力传感器,采用

风管式空气压力传感器。

>空气质量检测:取自安装在回风管上的空气质量传感器,常选用二氧化碳、一氧化碳(CO2、CO)传感器。

>送风风速检测:取自送风管上的风速传感器,用以计算系统总送风量,采用风管式风速传感器。

>回风风速检测:取自回风管上的风速传感器,用以计算系统总回风量,采用风管式风速传感器。

>防冻开关状态监测:取自安装在送风管表冷器出风侧的防冻开关输出(只在冬天气温低于0℃的北方地区使用)。

>送/回风机运行状态检测:送/回风机配电柜接触器辅助触点,也可通过监测点在风机前后的差压开关监测。

>送/回风机故障检测:送风/回风机配电柜热机电继电器辅助触点。

>送/回风机启/停控制:从DDC数字输出口(DO)输出到送/回风机配电箱接触器控制回路。

>送/回风机电机转速控制:从DDC模拟输出口(AO)输出到送/回风机电机变频器控制口。

>新风口风门开度控制:从DDC数字输出口(DO)输出到新风口风门驱动器控制输入点。

>回风/排风风门开度控制:从DDC数字输出口(DO)输出到回风/排风风门驱动器控制输入点。

>冷/热水阀门开度调节:从DDC模拟输出口(AO)输出到冷热水二通调节阀阀门驱动器控制输入口。

>加湿阀门开度调节:从DDC模拟输出口(AO)输出到加湿二通调节阀阀门驱动器控制输入口。

>VAV末端装置房间温度检测:取自安装在空调房间的温度传感器,采用室内空气温度传感器。

>VAV末端装置送风风(流)量检测:取自安装在空调房间送风管的风速(量)传感器,采用风管式风速(量)传感器。

>VAV末端装置房间静压检测:取自安装在空调房间的压力传感器,采用室内空气压力传感器。

》VAV末端装置送风风门开度调节:从VAV末端控制器模拟输出口(AO)到末端装置送风风门驱动器控制输入口。

>VAV末端装置回风风门开度调节:从VAV末端控制器模拟输出口(AO)到末端装置回风风门驱动器控制输入口。

>VAV末端装置再热器开关控制:从VAV末端控制器数字输出口(DO)到末端装置再热器控制输入口。

>变风量空调机组系统控制器(SC)与VAV末端控制器申行接口,通过对所有VAV末端控制器的风量检测值的统计,实现空调机组的送风量调节。

2.变风量系统的连锁控制

电气连锁;开新风风门、回风风门、排风风门与送风风机、排风风机连锁;风机停机连锁切断加湿器电源。

空调机组启动顺序控制:新风风门开启一回风风门启动一送风机启动一排风风门开启一回风机启动一空调冷冻水/热水调节阀开启一(加湿器启动)加湿阀开启。

空调机组停机顺序控制:(加湿器停机)加湿阀关闭一空调冷冻水/热水调节阀关闭一停回风机一排风风门关闭一送风机停机一新风门、排风门关闭、回风门停机。

3.变风量系统运行与节能控制

(1)变风量空调机组的送风量、送风温度调节与节能策略

变风量空调机组的系统类型很多,控制方式也随之不同。总风量控制是VAV系统控制的核心,这里仅对应用最为广泛、最有代表性的单风管VAV空调系统的风量与温度控制进行讨论。现在常用的总风量控制有定静压定温度法(CPT,Constant Pressure&Temperature)、定静压变温度法(CPVT,Constant Pressure Variable Temperature)、变静压变温度法(VPVT,Variable Pressure Variable Temperature)和VAV总风量控制法。

①定静压定温度法(CPT)在定静压定温度控制法中,变风量空调机组的节能控制是通过空调房末端的静压来实现的,末端空调房间的空调负荷是通过风量来调节的。要稳定空调房间末端的温度,只要稳定空调房间末端的风量就行了。

定静压定温度法的控制原理,就是在送风温度保持不变的情况下,保证系统风管某一点或几点平均静压一定。通过控制变频器的输出频率以调节风机转速,将参考点(一点或多点的平均)静压值控制在设定值,间接实现总送风量的调节。

一般选送风干管末端的风道静压(一点或几点平均静压,或主干管末端与末端空调房的压差)作为被调节参数。根据被调参数的变化来调节机组风机转速,以稳定末端静压。当房间负荷需要风量增加(减少)时,风管的压降增加(减少)、末端静压降低(升高),DDC根据末端定压传感器的静压测量值与设定值比较的偏差量,按调节规律(一般为PI调节)运算后输出控制信号至变频器。变频器根据此信号调节风机(电机)转速,当风量逐步与所需负荷平衡时,静压恢复到原来状态,系统在新的平衡点工作。如果系统是多区系统(即空调机组送风机出口有两条以上主干风道为多个区域输送冷/热负荷的系统),DDC则根据所有干管末端的风道静压测量值进行加权平均(取最小值)与设定值比较的偏差量,运算输出控制信号并输出到变频调速器,变频调速器根据此信号调节送风机的转速以稳定系统静压。在系统正常工作时,末端静压和送风温度都保持不变,这就是定静压定温度法(CPT)名称的来历。

②定静压变温度法(CPVT)定静压变温度法,与定静压定温度法通过调整送风量以保持末端静压不变,使送风量适应末端空调负荷变化的工作原理有所不同。在定静压变温度法中,当VAV末端负荷改变时,除了像CPT法一样,通过调节空调机组送风量以保持末端静压和送风温度都不变,来适应负荷的变化之外,还可以通过改变空调机组送风温度来适应末端负荷改变引起VAV系统总负荷的变化。在CPVT中,可以保持送风温度不变,通过调整空调机组总风量来满足末端负荷变化的需要,同时保证末端定静压不变的条件;也可以保持空调机组总调机组送风量不变,通过调整空调机组送风温度来满足末端负荷变化的需要,并保证末端定静压不变的条件;当然也可以同时调整空调机组总送风量和送风温度以满足末端负荷变化的需要,并保持末端定压恒定。在这种方法中,末端静压恒定而送风温度可调,故称为定静压变温度法(CPVT)。送

风温度、总送风量均可调整,温度与总送风量调整的优先顺序及其具体的控制算法应根据实际VAV系统的热源特性、风管的气流特性等确定。

③变静压变温度法(VPVT)定静压法(CPT或CPVT)中总是保持末端静压恒定,而变静压变温度法(VPVT)则把末端静压也作为可调参数处理。在末端负荷变化时,可以考虑在最小末端静压(最大限度地节约风机送风动力)的条件下,同时调整风量和温度来满足末端负荷变化的需要。在VPVT法中,增加一个可调量,就增加了进一步节能的可能。

在CPT、CPVT和VPVT三种控制方法中,末端静压均是一个重要的被调参数。但在末端静压稳定的条件下,某一末端负荷发生变化会引起总风管系统特性的改变,而这种改变又会引起一些负荷没有变化的末端装置的气流条件发生变化,在末端产生扰动。这表明静压控制的VAV系统稳定性并不太好,这是由于所有末端通过风路管网形成耦合所引起的。

④VAV总风量控制法

由于静压控制存在不稳定因素,对VAV系统的使用造成了极大的障碍。如果通过统计计算出各末端风量的总量,并通过送风机相似特性计算出此风量所对应的空调机组送风机的转速,并控制空调机组送风机在此转速运行,从而保证送风量与负荷需求一致。这就是总风量控制法的基本原理。

总风量控制法是开环控制的思路,其优点是控制算法简单、速度快、稳定性好;缺点是当设备性能变化时,空调系统会产生很大的误差,甚至完全失效无法工作。因此,需要和某种反馈方式结合起来才会取得好的效果。

(2)回风机转速自动调节

在变风量系统中,系统的调节是靠风量完成的。在末端数量多、分布广、风量大、风道管路长的变风量空调系统中,需要在总回风管上配备回风机。为了保证系统良好运行,除了对送风机进行变频控制以外,还必须对回风量(回风机)进行相应的连锁控制,以保证空调区域一定的定压和送风、回风量的平衡。大多数情况下,回风量应小于送风量,但在空调区域有负压要求时则回风量应大于送风量。在实际工程中应根据不同系统的不同要求,确定送、回风量的差值,再根据风管末端静压信号,来调节回风机的风量。另一种控制方法是DDC将送风机前后风道压差测量值和回风机前后风道压差测量值与各自的给定值比较,并根据比较所得到的偏差值,控制回风机转速以维持送风、回风量之差满足要求。

(3)湿度控制

一般以空调机组回风的相对湿度作为被调量,它代表了空调区域(室内)湿度的平均值。

空调机组回风相对湿度的调整通过改变送风含湿量来实现。DDC控制器将回风管中的空气湿度测量值与给定值比较,对比较偏差进行Pl运算得到控制信号调节加湿阀的开度,将空调机组回风的相对湿度控制在给定值。

(4)空气质量控制

为保证空调区域(房间)的空气质量,在会风总管安装空气质量传感器。当回风中的CO2、CO浓度升高时,传感器输出信号到DDC,由DDC输出相应的控制信号,控制新风风门开度增加新风量,以保证空调区域(房间)的空气质量。

(5)新风量、回风量及排风量的比例控制

在对空气质量要求高的舒适空调系统中,新风量首先要保证室内空气的质量。在这个前

提下,DDC根据新风的温湿度、回风的温湿度进行回风及新风烩值计算,按回风和新风的焙值比例控制新风门和回风门的开度比例,使系统在最佳的新风/回风比状态下运行,以便达到节能的目的。

在过渡季节或比较合适的天气,当室外空气的温湿度合适时,空调机组进行全新风运行不但节能,而且提供了最好的空气品质。

(6)过滤器差压报警、机组防冻保护

采用压差开关测量过滤器两侧差压,当差压超限时,压差开关报警,表明过滤网两侧压差过大,过滤网积灰积尘、堵塞严重,需要清理、清洗。

采用防霜冻开关监测换热器出风侧温度,当温度低于5℃时报警,表明室外温度过低,应关闭风门,同时关闭风机,使换热器温度不再降低。风门应有良好的气密性,同时要有良好的保温性阻止与室外冷空气的传热。但大多数风门本身的气密性和保温性并不好,难以起到保温隔热的作用。比较可靠的方法是机组停止工作后仍然把水量调节阀打开(如开启30%),使换热器内的水流缓慢循环流动起来,若水泵已停机,则整个水系统还应开启一台小功率的水泵,保证水系统管道内有一定的水流速度,而不至冻裂。

(7)空调机组的定时运行与设备的远程控制

VAV变风量空调机组的控制系统能够依据预定的运行时间表,实现空调机组的按时启停;中央监控系统应有对VAV变风量系统的设备进行远程开/关操作的功能,也就是在控制中心能实现对空调机组现场设备的远程控制。

(8)变风量末端装置的自动调节

VAV空调系统的运行由 VAV末端装置根据室内要求进行送风量控制,其控制方式依据末端装置的不同有所不同。这方面的内容在变风量系统组成与工作原理中已进行了讨论。

表3.6是对应图3.9的变风量空调系统监测、控制点配置表。

表3.6变风量空调系统监测、控制点配置表

表3.6变风量空调系统监测、控制点配置表

续表

续表

在具体的工程中,变风量的系统配置有所不同,并不是每个变风量系统都配置新风温湿度传感器或防冻开关;在洁净度要求较高的场合,变风量系统可能要配多级过滤网等。不同系统中末端装置的原理和数量也不一样,在控制系统设计与设备选型时应该根据实际情况,统计出设备数量,作为选配DDC控制器的依据。

变风量系统的空调机组部分也可以像图3.8的定风量空调机组一样,将送风机和回风机设计成两用的,在发生火灾时,送风机作为补风机、回风机作为排烟机。

若VAV系统的空调机组以这种方式设计时,在对应的控制系统设计中,防烟阀、排烟阀、送风机/补风机、排风机/排烟机等具有火灾消防功能的设备必须和火灾自动报警系统实现联动控制,无论在硬件配置、电气连锁还是控制软件设计等方面都需要作全面的考虑。还需要注意这种空调系统的设备直接作为消防设备使用时的联动,与常规的空调系统与火灾自动报警系统的联动控制是完全不同的。

3.3.5风机盘管的控制

早期风机盘管的控制通常不纳入楼宇控制系统内,而作为独立的控制器控制现场风机盘管运行。现在已开发出可纳入楼宇控制系统内的风机盘管控制器,这类风机盘管控制器带有通信接口,只要把这种控制器接在楼宇自动化系统的控制总线上,就能实现远程连网控制。这类控制器可控制风机盘管的回水电动阀,并带有温度传感器,将检测现场温度与设定值比较后,按照比较偏差去控制风机盘管的回水电动阀,实现室内温度的控制。

3.3.5.1独立盘管的控制

独立运行的风机盘管及其控制原理如图3.15所示(控制器没有网络通信接口)。它的控制由带三速开关的独立室内恒温器(也称温控器)来完成,温控器安装在空调房间内。温控器的设定温度一般在5℃~30℃范围内可调。

拨动温控器上的“高、中、低”三挡开关在不同的位置,可以控制风机盘管内的风机按“高、中、低”三种风速运行。

图3.15独立运行风机盘管控制原理图

图3.15独立运行风机盘管控制原理图

空调系统工作在夏季模式时,空调水管供应冷冻水,温控器选择开关应拨在“COOL(冷)”

挡。当室温升高并超过设定点温度时,恒温器的触点接通,电动阀被打开、风机运行,风机盘管对室内空气制冷;当室温在冷气的作用下降低并低于设定温度时,恒温器的触点断开,电动阀被关闭、风机停止运行,风机盘管停止对室内空气制冷。这样往复循环,使室温保持在一定范围之内。

冬季运作时,空调水管供应热水,温控器选择开关应拨在“HEAT(热)”挡。当室温下降并超过设定点温度时,恒温器触点接通,电动阀被打开、风机运行,风机盘管对室内空气加热;当室温在热风气的作用下升高并超过设定点温度时,恒温器的触点断开,电动阀被关闭、风机停止运行,风机盘管停止对室内空气加热。这样往复循环,使室温保持在一定范围之内。

当温控器选择开关拨在“FAN(xunhuan)”挡时,风机盘管只开启风机(电动阀门不打开),使室内空气循环。

各种室内温控器的原理基本一致,互换使用没有太大问题。但在接线上可能有区别,安装时应注意。

3.3.5.2可连网的风机盘管控制器

Honewell、SIEMENS等公司的楼宇自控产品中,现在都有可连网的风机盘管控制器(Honeywell的W7752系列控制器;SIEMENS的Unit Conditioner Controller,产品编号540-110等),可以将原先独立于楼宇自动化系统之外的风机盘管控制纳入BAS系统进行控制与管理。

这类风机盘管控制器的工作原理见图3.16。

在图3.16中,风机盘管的启停、冷(COOL)/热(HEAT)或冬/夏模式设定、风机转速的高(H)、中(M)、低(L)设定、房间温度设定可通过与控制器配套的壁挂模块(Honeywell的T7450系列)或配套装置(如Siemens的QAA系列等)或其他外置的专用开关进行,也可以由监控中心远程设定;壁挂模块内置温度传感器,对房间温度实时检测,控制器根据设定温度与检测温度的偏差控制风机盘管的运行或停止。其控制原理和运行方式与独立运行的风机盘管系统相似,主要区别是这种系统的控制器具有连网通信功能。通过通信接口将风机盘管的控制纳入楼宇自动化系统,实现楼宇自动化系统对风机盘管系统的统一管理。除了通过室内壁挂模块对风机盘管进行控制和参数设定之外,通过楼宇自动化系统也可以实现对分布在各个房间的风机盘管进行预设时间表的定时启停控制和远程控制等。

image.png图3.16连网控制风机盘管原理图

图3.16连网控制风机盘管原理图


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